無人機室內(nèi)貨品運輸系統(tǒng)設(shè)計

沈天翊 支廣達 王興元

摘要 “空中走廊“室內(nèi)貨品運輸系統(tǒng)，基于高精度UWB室內(nèi)分布式異步定位技術(shù)及無人機飛控數(shù)據(jù)融合技術(shù)，在室內(nèi)環(huán)境下對貨品、工具、物料利用無人機進行空中配送，全方位提升工廠智能制造信息化水平。

【關(guān)鍵詞】無人機應(yīng)用 室內(nèi)貨品運輸 高精度室內(nèi)定位

1 系統(tǒng)設(shè)計簡介

自2013年美國Matternet公司在海地和多米尼加測試了無人機配送網(wǎng)絡(luò)，首次實現(xiàn)無人機貨品運輸以來，亞馬遜、谷歌、DHL等國際巨頭紛紛開始布局無人機貨運領(lǐng)域，國內(nèi)的阿里巴巴、順豐、京東等企業(yè)也緊隨其后，接連斥巨資開展無人機貨品運輸?shù)难邪l(fā)及測試工作。

目前，無人機貨品運輸主要應(yīng)用于室外環(huán)境，室內(nèi)應(yīng)用存在定位難、定位精度低、環(huán)境復(fù)雜等問題，導(dǎo)致無人機貨品運輸技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境下一直無法得到推廣及運用。

想要實現(xiàn)無人機在室內(nèi)進行自動導(dǎo)航配送貨品，其核心難點在于高頻高精度室內(nèi)定位、定位飛控數(shù)據(jù)融合及室內(nèi)無人機動力及結(jié)構(gòu)安全上。

2 高頻高精度室內(nèi)定位

無人機飛行過程中的定位技術(shù)不同于傳統(tǒng)室內(nèi)定位，由于無人機飛行速度快，對室內(nèi)人員和設(shè)備存在安全威脅，因此對于定位的精度、位頻和可靠性有著極高的要求?；谀壳笆覂?nèi)定位技術(shù)技術(shù)的成熟度、精度、位頻、成本、集成難易度、抗干擾性、硬件尺寸大小等因素，經(jīng)過綜合考量和大量測試，得出超寬帶（UWB： Ultra Wideband，又稱脈沖無線電技術(shù)）是目前運用于無人機室內(nèi)定位最為合適的技術(shù)。該技術(shù)綜合定位精度在30厘米以內(nèi)，位置數(shù)據(jù)獲取時間小于60毫秒。

分布式異步定位是UWB定位技術(shù)的一種組網(wǎng)方式，實現(xiàn)了各設(shè)備之間的獨立，大幅降低系統(tǒng)布設(shè)無限制。將UWB信標(biāo)安裝在無人機上，在室內(nèi)安裝多個固定坐標(biāo)的定位基站。在無人機需要獲取自身的位置時，通過信標(biāo)發(fā)送測距請求，在信標(biāo)獲得范圍內(nèi)多個基站的測距數(shù)據(jù)后，采用TDOA算法進行測距，快速解算出無人機當(dāng)前的位置。由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，在基站在布設(shè)時需要充分考慮無人機飛行軌跡，確保在飛行過程中能時刻和三個以上的基站進行無障礙通信，同時，需要將定位位頻提升至10Hz以上，確保定位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及有效性。如圖1所示。

3 定位飛控數(shù)據(jù)融合

為使無人機能及時獲取自身的位置信息，并基于自身的位置快速調(diào)整飛行姿態(tài)，需將定位及運算模塊集成于無人機上，降低數(shù)據(jù)傳遞過程中的延時，提高飛行精度。

使用高性能主控核心板，作為定位系統(tǒng)、無人機飛控主板及貨品運輸系統(tǒng)之間的通信處理核心。貨品運輸系統(tǒng)接受配送請求后向無人機主控核心板發(fā)送起飛信號和目標(biāo)位置，主控核心板與基站通信獲取位置信息并傳輸給無人機飛控主板，配合慣導(dǎo)系統(tǒng)，進行飛行姿態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)向目標(biāo)配送點的自動飛行。如圖2所示。

4 無人機動力及結(jié)構(gòu)定制

無人機室內(nèi)貨品運輸對無人機的動力配比和結(jié)構(gòu)提出更高要求，需要根據(jù)飛機的載重、續(xù)航時間等要求，進行旋翼電機和電池的選配，以及對飛機旋翼的尺寸和旋翼數(shù)的選擇以及無人機結(jié)構(gòu)進行定制設(shè)計。

4.1 電機選配

根據(jù)上述計算方法可以針對不同的項目要求選配相應(yīng)的型號的電機。

4.2 電池選配

鋰電池是目前多旋翼無人機電源系統(tǒng)使用最為普遍的電池，鋰電池有尺寸小，充電時間短，質(zhì)量輕，沒有記憶效應(yīng)，適于重復(fù)多次充放電等優(yōu)點。

考慮到電池主要是給無人機主要是運輸貨物和定位數(shù)據(jù)收發(fā)板供電，功耗主要為電機的消耗和定位數(shù)據(jù)收發(fā)板的消耗。對于給定飛行時間h，可以得到如下近似的電池容量Cb。

Cb≥k（Nmotorla+Ionboard）h

（4）

式中：

Ia 一無人機在飛行過程中電機驅(qū)動每個電機消耗的電流;

Ionboard一定位數(shù)據(jù)收發(fā)板消耗的電流（換算成相同電壓情況下）;

k—安全系數(shù)，一般為1.5。

根據(jù)上述計算方法可以針對不同的項目要求選配相應(yīng)的型號的鋰電池。

4.3 旋翼尺寸及旋翼數(shù)選擇

多旋翼無人機的旋翼尺寸和旋翼數(shù)目對飛行功耗有很大影響，旋轉(zhuǎn)面積大的旋翼可以獲得的升力也越大，效率也越高。定義整個機體面積（防撞結(jié)構(gòu)所包含的整個區(qū)域）為Sb，旋翼的旋轉(zhuǎn)面積為Sr，電池利用率為p，當(dāng)暫且忽略控制板等一些其他部分的能耗時，定義如下的效率評價參數(shù)：

式中：R-機體半徑;r-旋翼半徑。

在實際設(shè)計過程中，由于需要考慮到各旋翼之間會產(chǎn)生氣流擾亂而對控制性能造成一定的影響，應(yīng)當(dāng)對機翼的最大允許尺寸做相應(yīng)的減小。根據(jù)經(jīng)驗旋翼實際半徑r取最大允許半徑rmax的5/6左右。單旋翼的無人機要考慮尾槳會抵消主旋翼產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩，會額外消耗10%的能量，最終計算得到的總體效率參數(shù)為0.4592。通過式（5）計算可得四旋翼總體效率參數(shù)為0.4766，六旋翼總體效率為0.4630，八旋翼總體效率為0.4256。由此可見四旋翼是總體效率利用率最高的，但增加旋翼數(shù)對飛機的平穩(wěn)性有較大的影響，旋翼數(shù)越大飛機飛行越平穩(wěn)，綜合考慮后在本系統(tǒng)中我們選擇使用六旋翼無人機。

4.4 無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)中的無人機用于室內(nèi)運輸，由于實際飛行通道較窄，工作環(huán)境復(fù)雜，必須為無人機設(shè)計防撞結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)中使用的六旋翼無人機將機翼裝于翼臂的中點位置，在翼臂外圍加裝一圈彈性保護欄，并于底部加裝了避震起落架，可在無人機故障或者飛行異常時避免無人機損壞，防止無人機對周邊人員和設(shè)備造成損傷。

室內(nèi)飛行對于飛行定高有著很高的要求，需要使用多種傳感器數(shù)據(jù)融合有效提升定高精度。該無人機使用紅外測距、超聲波和氣壓計這三種傳感器對高度進行測量并將所得數(shù)據(jù)融合，得到更高精度的高度數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

本文對無人機運用于室內(nèi)貨品運輸系統(tǒng)中的技術(shù)要點和應(yīng)對方案進行了簡要的分析和介紹，隨著“中國制造2025”規(guī)劃中確立“智能制造”為未來主攻方向及其中對于無人機領(lǐng)域相關(guān)政策的落地，無人機在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用將會出現(xiàn)爆發(fā)式的增長。實現(xiàn)無人機室內(nèi)精準(zhǔn)定位及自動導(dǎo)航飛行，對無人機行業(yè)應(yīng)用發(fā)展具有重要的意義，是未來無人機實現(xiàn)室內(nèi)外定位無縫銜接的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻

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